77705

Флэш-память. От ROM к Flash

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

Внимание которое уделяется флэш-памяти вполне объяснимо –ведь это самый быстрорастущий сегмент полупроводникового рынка. Ежегодно рынок флэш-памяти растет более чем на 15 что превышает суммарный рост всей остальной полупроводниковой индустрии.

Русский

2015-02-05

572.5 KB

4 чел.

Введение

Технология флэш-памяти появилась около 20-ти лет назад. В конце 80-х годов прошлого столетия флэш-память начали использовать в качестве альтернативы UV-EPROM. С этого момента интерес к флэш-памяти с каждым годом неуклонно возрастает. Внимание, которое уделяется флэш-памяти, вполне объяснимо – ведь это самый быстрорастущий сегмент полупроводникового рынка. Ежегодно рынок флэш-памяти растет более чем на 15%, что превышает суммарный рост всей остальной полупроводниковой индустрии.

Спрос на флэш-память растёт с каждым годом, количество компаний, выпускающих этот тип памяти, стремительно увеличивается, а цена так же быстро падает. В 2000 году объёмы производства флэш-памяти превысили объёмы производства SRAM. Теперь рынок флэш является вторым по величине рынком памяти после DRAM, а к 2006 году (по прогнозу Semico) доход от продаж флэш-памяти превысит доход от продаж DRAM. В 2002 году общемировой объем продаж флэш-памяти составил 7,7 млрд$.

Сегодня флэш-память можно найти в самых разных цифровых устройствах. Её используют в качестве носителя микропрограмм для микроконтроллеров HDD и CD-ROM, для хранения BIOS в ПК. Флэш-память используют в принтерах, КПК, видеоплатах, роутерах, брандмауэрах, сотовых телефонах, электронных часах, записных книжках, телевизорах, кондиционерах, микроволновых печах и стиральных машинах... список можно продолжать бесконечно. А в последние годы флэш становится основным типом сменной памяти, используемой в цифровых мультимедийных устройствах, таких как mp3-плееры и игровые приставки. Начало этому было положено в 1997 году, когда флэш-карты впервые стали использовать в цифровых фотокамерах.

Занимая в начале своего пути лишь небольшую рыночную нишу, сейчас флэш – одна из основных технологий полупроводниковой памяти, и можно с уверенностью сказать, что в ближайшие 5-7 лет мы станем свидетелями расцвета технологии флэш-памяти.

Флэш-память - особый вид энергонезависимой перезаписываемой полупроводниковой памяти.

Энергонезависимая - не требующая дополнительной энергии для хранения данных (энергия требуется только для записи).

Перезаписываемая - допускающая изменение (перезапись) хранимых в ней данных.

Полупроводниковая (твердотельная) - не содержащая механически движущихся частей (как обычные жёсткие диски или CD), построенная на основе интегральных микросхем (IC-Chip).

В отличие от многих других типов полупроводниковой памяти, ячейка флэш-памяти не содержит конденсаторов – типичная ячейка флэш-памяти состоит всего-навсего из одного транзистора особой архитектуры. Ячейка флэш-памяти прекрасно масштабируется, что достигается не только благодаря успехам в миниатюризации размеров транзисторов, но и благодаря конструктивным находкам, позволяющим в одной ячейке флэш-памяти хранить несколько бит информации.

Флэш-память исторически происходит от ROM (Read Only Memory) памяти, и функционирует подобно RAM (Random Access Memory). Данные флэш хранит в ячейках памти, похожих на ячейки в DRAM. В отличие от DRAM, при отключении питания данные из флэш-памяти не пропадают.

Замены памяти SRAM и DRAM флэш-памятью не происходит из-за двух особенностей флэш-памяти: флэш работает существенно медленнее и имеет ограничение по количеству циклов перезаписи (от 10.000 до 1.000.000 для разных типов).

Надёжность/долговечность: информация, записанная на флэш-память, может храниться очень длительное время (от 20 до 100 лет), и способна выдерживать значительные механические нагрузки (в 5-10 раз превышающие предельно допустимые для обычных жёстких дисков).
         Основное преимущество флэш-памяти перед жёсткими дисками и носителями CD-ROM состоит в том, что флэш-память потребляет значительно (примерно в 10-20 и более раз) меньше энергии во время работы. В устройствах CD-ROM, жёстких дисках, кассетах и других механических носителях информации, большая часть энергии уходит на приведение в движение механики этих устройств. Кроме того, флэш-память компактнее большинства других механических носителей.

Итак, благодаря низкому энергопотреблению, компактности, долговечности и относительно высокому быстродействию, флэш-память идеально подходит для использования в качестве накопителя в таких портативных устройствах, как: цифровые фото- и видео камеры, сотовые телефоны, портативные компьютеры, MP3-плееры, цифровые диктофоны, и т.п.

Примечание: Мы рассматриваем только "чистую" флэш-память с числом циклов чтения/записи более 10000. Кроме "чистого" flash существуют OTP (One Time Programmable) - память с единственным циклом записи, и MTP (Multiple Time Programmable) - до 10000 циклов. Кроме количества допустимых циклов записи/стирания принципиальной разницы между MTP и Flash нет. OTP существенно отличается от этих типов архитектурно.

От ROM к Flash

Флэш-память исторически произошла от полупроводникового ROM, однако ROM-памятью не является, а всего лишь имеет похожую на ROM организацию. Множество источников (как отечественных, так и зарубежных) зачастую ошибочно относят флэш-память к ROM. Флэш никак не может быть ROM хотя бы потому, что ROM (Read Only Memory) переводится как "память только для чтения". Ни о какой возможности перезаписи в ROM речи быть не может!

Небольшая, по началу, неточность не обращала на себя внимания, однако с развитием технологий, когда флэш-память стала выдерживать до 1 миллиона циклов перезаписи, и стала использоваться как накопитель общего назначения, этот недочет в классификации начал бросаться в глаза.

Среди полупроводниковой памяти только два типа относятся к "чистому" ROM - это Mask-ROM и PROM. В отличие от них EPROM, EEPROM и Flash относятся к классу энергонезависимой перезаписываемой памяти (английский эквивалент - nonvolatile read-write memory или NVRWM).

Примечание: всё, правда, встает на свои места, если, как утверждают сейчас некоторые специалисты, не считать RAM и ROM акронимами. Тогда RAM будет эквивалентом "энергозависимой памяти", а ROM - "энергонезависимой памяти".

ROM:

ROM (Read Only Memory) - память только для чтения. Русский эквивалент - ПЗУ (Постоянно Запоминающее Устройство). Если быть совсем точным, данный вид памяти называется Mask-ROM (Масочные ПЗУ). Память устроена в виде адресуемого массива ячеек (матрицы), каждая ячейка которого может кодировать единицу информации. Данные на ROM записывались во время производства путём нанесения по маске (отсюда и название) алюминиевых соединительных дорожек литографическим способом. Наличие или отсутствие в соответствующем месте такой дорожки кодировало "0" или "1". Mask-ROM отличается сложностью модификации содержимого (только путем изготовления новых микросхем), а также длительностью производственного цикла (4-8 недель). Поэтому, а также в связи с тем, что современное программное обеспечение зачастую имеет много недоработок и часто требует обновления, данный тип памяти не получил широкого распространения.

Преимущества:

1. Низкая стоимость готовой запрограммированной микросхемы (при больших объёмах производства).

2. Высокая скорость доступа к ячейке памяти.

3. Высокая надёжность готовой микросхемы и устойчивость к электромагнитным полям.

Недостатки:

1. Невозможность записывать и модифицировать данные после изготовления.

2. Сложный производственный цикл.

PROM - (Programmable ROM), или однократно Программируемые ПЗУ. В качестве ячеек памяти в данном типе памяти использовались плавкие перемычки. В отличие от Mask-ROM, в PROM появилась возможность кодировать ("пережигать") ячейки при наличии специального устройства для записи (программатора). Программирование ячейки в PROM осуществляется разрушением ("прожигом") плавкой перемычки путём подачи тока высокого напряжения. Возможность самостоятельной записи информации в них сделало их пригодными для штучного и мелкосерийного производства. PROM практически полностью вышел из употребления в конце 80-х годов.

Преимущества:

1. Высокая надёжность готовой микросхемы и устойчивость к электромагнитным полям.

2. Возможность программировать готовую микросхему, что удобно для штучного и мелкосерийного производства.

3. Высокая скорость доступа к ячейке памяти.

Недостатки:

1. Невозможность перезаписи

2. Большой процент брака

3. Необходимость специальной длительной термической тренировки, без которой надежность хранения данных была невысокой

NVRWM:

EPROM

Различные источники по-разному расшифровывают аббревиатуру EPROM - как Erasable Programmable ROM или как Electrically Programmable ROM (стираемые программируемые ПЗУ или электрически программируемые ПЗУ). В EPROM перед записью необходимо произвести стирание (соответственно появилась возможность перезаписывать содержимое памяти). Стирание ячеек EPROM выполняется сразу для всей микросхемы посредством облучения чипа ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами в течение нескольких минут. Микросхемы, стирание которых производится путем засвечивания ультрафиолетом, были разработаны Intel в 1971 году, и носят название UV-EPROM (приставка UV (Ultraviolet) - ультрафиолет). Они содержат окошки из кварцевого стекла, которые по окончании процесса стирания заклеивают.

EPROM от Intel была основана на МОП-транзисторах с лавинной инжекцией заряда (FAMOS - Floating Gate Avalanche injection Metal Oxide Semiconductor, русский эквивалент - ЛИЗМОП). В первом приближении такой транзистор представляет собой конденсатор с очень малой утечкой заряда. Позднее, в 1973 году, компания Toshiba разработала ячейки на основе SAMOS (Stacked gate Avalanche injection MOS, по другой версии - Silicon and Aluminum MOS) для EPROM памяти, а в 1977 году Intel разработала свой вариант SAMOS.

В EPROM стирание приводит все биты стираемой области в одно состояние (обычно во все единицы, реже - во все нули). Запись на EPROM, как и в PROM, также осуществляется на программаторах (однако отличающихся от программаторов для PROM). В настоящее время EPROM практически полностью вытеснена с рынка EEPROM и Flash.

Достоинство: Возможность перезаписывать содержимое микросхемы

Недостатки:

1. Небольшое количество циклов перезаписи.

2. Невозможность модификации части хранимых данных.

3. Высокая вероятность "недотереть" (что в конечном итоге приведет к сбоям) или передержать микросхему под УФ-светом (т.н. overerase - эффект избыточного удаления, "пережигание"), что может уменьшить срок службы микросхемы и даже привести к её полной негодности.

EEPROM (E?PROM или Electronically EPROM) - электрически стираемые ППЗУ были разработаны в 1979 году в той же Intel. В 1983 году вышел первый 16Кбит образец, изготовленный на основе FLOTOX-транзисторов (Floating Gate Tunnel-OXide - "плавающий" затвор с туннелированием в окисле).

Главной отличительной особенностью EEPROM (в т.ч. Flash) от ранее рассмотренных нами типов энергонезависимой памяти является возможность перепрограммирования при подключении к стандартной системной шине микропроцессорного устройства. В EEPROM появилась возможность производить стирание отдельной ячейки при помощи электрического тока. Для EEPROM стирание каждой ячейки выполняется автоматически при записи в нее новой информации, т.е. можно изменить данные в любой ячейке, не затрагивая остальные. Процедура стирания обычно существенно длительнее процедуры записи.

Преимущества EEPROM по сравнению с EPROM:

1. Увеличенный ресурс работы.

2. Проще в обращении.

Недостаток: Высокая стоимость

Flash (полное историческое название Flash Erase EEPROM):

Изобретение флэш-памяти зачастую незаслуженно приписывают Intel, называя при этом 1988 год. На самом деле память впервые была разработана компанией Toshiba в 1984 году, и уже на следующий год было начато производство 256Кбит микросхем flash-памяти в промышленных масштабах. В 1988 году Intel разработала собственный вариант флэш-памяти.

Во флэш-памяти используется несколько отличный от EEPROM тип ячейки-транзистора. Технологически флэш-память родственна как EPROM, так и EEPROM. Основное отличие флэш-памяти от EEPROM заключается в том, что стирание содержимого ячеек выполняется либо для всей микросхемы, либо для определённого блока (кластера, кадра или страницы). Обычный размер такого блока составляет 256 или 512 байт, однако в некоторых видах флэш-памяти объём блока может достигать 256КБ. Следует заметить, что существуют микросхемы, позволяющие работать с блоками разных размеров (для оптимизации быстродействия). Стирать можно как блок, так и содержимое всей микросхемы сразу. Таким образом, в общем случае, для того, чтобы изменить один байт, сначала в буфер считывается весь блок, где содержится подлежащий изменению байт, стирается содержимое блока, изменяется значение байта в буфере, после чего производится запись измененного в буфере блока. Такая схема существенно снижает скорость записи небольших объёмов данных в произвольные области памяти, однако значительно увеличивает быстродействие при последовательной записи данных большими порциями.

Преимущества флэш-памяти по сравнению с EEPROM:

1. Более высокая скорость записи при последовательном доступе за счёт того, что стирание информации во флэш производится блоками.

2. Себестоимость производства флэш-памяти ниже за счёт более простой организации.

Недостаток: Медленная запись в произвольные участки памяти.

Организация flash-памяти

Ячейки флэш-памяти бывают как на одном, так и на двух транзисторах.

В простейшем случае каждая ячейка хранит один бит информации и состоит из одного полевого транзистора со специальной электрически изолированной областью ("плавающим" затвором - floating gate), способной хранить заряд многие годы. Наличие или отсутствие заряда кодирует один бит информации.

При записи заряд помещается на плавающий затвор одним из двух способов (зависит от типа ячейки): методом инжекции "горячих" электронов или методом туннелирования электронов. Стирание содержимого ячейки (снятие заряда с "плавающего" затвора) производится методом тунеллирования.

Как правило, наличие заряда на транзисторе понимается как логический "0", а его отсутствие - как логическая "1".

Современная флэш-память обычно изготавливается по 0,13- и 0,18-микронному техпроцессу.

Общий принцип работы ячейки флэш-памяти.

Рассмотрим простейшую ячейку флэш-памяти на одном n-p-n транзисторе. Ячейки подобного типа чаще всего применялись во flash-памяти с NOR архитектурой, а также в микросхемах EPROM.

Поведение транзистора зависит от количества электронов на "плавающем" затворе. "Плавающий" затвор играет ту же роль, что и конденсатор в DRAM, т. е. хранит запрограммированное значение.

Помещение заряда на "плавающий" затвор в такой ячейке производится методом инжекции "горячих" электронов (CHE - channel hot electrons), а снятие заряда осуществляется методом квантомеханического туннелирования Фаулера-Нордхейма (Fowler-Nordheim [FN]).

При чтении, в отсутствие заряда на "плавающем" затворе, под воздействием положительного поля на управляющем затворе, образуется n-канал в подложке между истоком и стоком, и возникает ток.

Наличие заряда на "плавающем" затворе меняет вольт-амперные характеристики транзистора таким образом, что при обычном для чтения напряжении канал не появляется, и тока между истоком и стоком не возникает.

При программировании на сток и управляющий затвор подаётся высокое напряжение (причём на управляющий затвор напряжение подаётся приблизительно в два раза выше). "Горячие" электроны из канала инжектируются на плавающий затвор и изменяют вольт-амперные характеристики транзистора. Такие электроны называют "горячими" за то, что обладают высокой энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, создаваемого тонкой плёнкой диэлектрика.

При стирании высокое напряжение подаётся на исток. На управляющий затвор (опционально) подаётся высокое отрицательное напряжение. Электроны туннелируют на исток.

Эффект туннелирования - один из эффектов, использующих волновые свойства электрона. Сам эффект заключается в преодолении электроном потенциального барьера малой "толщины". Для наглядности представим себе структуру, состоящую из двух проводящих областей, разделенных тонким слоем диэлектрика (обеднённая область). Преодолеть этот слой обычным способом электрон не может - не хватает энергии. Но при создании определённых условий (соответствующее напряжение и т.п.) электрон проскакивает слой диэлектрика (туннелирует сквозь него), создавая ток.

Важно отметить, что при туннелировании электрон оказывается "по другую сторону", не проходя через диэлектрик. Такая вот "телепортация".

Различия методов тунеллирования Фаулера-Нордхейма (FN) и метода инжекции "горячих" электронов:

Channel FN tunneling - не требует большого напряжения. Ячейки, использующие FN, могут быть меньше ячеек, использующих CHE.

CHE injection (CHEI) - требует более высокого напряжения, по сравнению с FN. Таким образом, для работы памяти требуется поддержка двойного питания.

Программирование методом CHE осуществляется быстрее, чем методом FN.

Следует заметить, что, кроме FN и CHE, существуют другие методы программирования и стирания ячейки, которые успешно используются на практике, однако два описанных нами применяются чаще всего.

Процедуры стирания и записи сильно изнашивают ячейку флэш-памяти, поэтому в новейших микросхемах некоторых производителей применяются специальные алгоритмы, оптимизирующие процесс стирания-записи, а также алгоритмы, обеспечивающие равномерное использование всех ячеек в процессе функционирования.

Некоторые виды ячеек флэш-памяти на основе МОП-транзисторов с "плавающим" затвором:

Stacked Gate Cell - ячейка с многослойным затвором. Метод стирания - Source-Poly FN Tunneling, метод записи - Drain-Side CHE Injection.

SST Cell, или SuperFlash Split-Gate Cell (Silicon Storage Technology - компания-разработчик технологии) - ячейка с расщеплённым затвором. Метод стирания - Interpoly FN Tunneling, метод записи - Source-Side CHE Injection.

Two Transistor Thin Oxide Cell - двухтранзисторная ячейка с тонким слоем окисла. Метод стирания - Drain-Poly FN Tunneling, метод записи - Drain FN Tunneling.

Другие виды ячеек:

Кроме наиболее часто встречающихся ячеек с "плавающим" затвором, существуют также ячейки на основе SONOS-транзисторов, которые не содержат плавающего затвора. SONOS-транзистор напоминает обычный МНОП (MNOS) транзистор. В SONOS-ячейках функцию "плавающего" затвора и окружающего его изолятора выполняет композитный диэлектрик ONO. Расшифровывается SONOS (Semiconductor Oxide Nitride Oxide Semiconductor) как Полупроводник-Диэлектрик-Нитрид-Диэлектрик-Полупроводник. Вместо давшего название этому типу ячейки нитрида в будущем планируется использовать поликристаллический кремний.

Многоуровневые ячейки (MLC - Multi Level Cell).

В последнее время многие компании начали выпуск микросхем флэш-памяти, в которых одна ячейка хранит два бита. Технология хранения двух и более бит в одной ячейке получила название MLC (multilevel cell - многоуровневая ячейка). Достоверно известно об успешных тестах прототипов, хранящих 4 бита в одной ячейке. В настоящее время многие компании находятся в поисках предельного числа бит, которое способна хранить многоуровневая ячейка.

В технологии MLC используется аналоговая природа ячейки памяти. Как известно, обычная однобитная ячейка памяти может принимать два состояния - "0" или "1". Во флэш-памяти эти два состояния различаются по величине заряда, помещённого на "плавающий" затвор транзистора. В отличие от "обычной" флэш-памяти, MLC способна различать более двух величин зарядов, помещённых на "плавающий" затвор, и, соответственно, большее число состояний. При этом каждому состоянию в соответствие ставится определенная комбинация значений бит.

Во время записи на "плавающий" затвор помещается количество заряда, соответствующее необходимому состоянию. От величины заряда на "плавающем" затворе зависит пороговое напряжение транзистора. Пороговое напряжение транзистора можно измерить при чтении и определить по нему записанное состояние, а значит и записанную последовательность бит.

Основные преимущества MLC микросхем:

Более низкое соотношение $/МБ

При равном размере микросхем и одинаковом техпроцессе "обычной" и MLC-памяти, последняя способна хранить больше информации (размер ячейки тот же, а количество хранимых в ней бит - больше)

На основе MLC создаются микросхемы большего, чем на основе однобитных ячеек, объёма

Основные недостатки MLC:

Снижение надёжности, по сравнению с однобитными ячейками, и, соответственно, необходимость встраивать более сложный механизм коррекции ошибок (чем больше бит на ячейку - тем сложнее механизм коррекции ошибок)

Быстродействие микросхем на основе MLC зачастую ниже, чем у микросхем на основе однобитных ячеек

Хотя размер MLC-ячейки такой же, как и у однобитной, дополнительно тратится место на специфические схемы чтения/записи многоуровневых ячеек

Примечания: После появления MLC, "обычные" однобайтные ячейки классифицировали как одноуровневые ячейки - Single Level Cell (SLC). SONOS-ячейки могут также хранить два бита, однако принципиально отличным от описанного нами способа.

Технология многоуровневых ячеек от Intel (для NOR-памяти) носит название StrtaFlash, аналогичная от AMD (для NAND) - MirrorBit

Архитектура флэш-памяти.

Существует несколько типов архитектур (организаций соединений между ячейками) флэш-памяти. Наиболее распространёнными в настоящее время являются микросхемы с организацией NOR и NAND.

NOR (NOT OR, ИЛИ-НЕ)

Ячейки работают сходным с EPROM способом. Интерфейс параллельный. Произвольное чтение и запись.

Преимущества: быстрый произвольный доступ, возможность побайтной записи.

Недостатки: относительно медленная запись и стирание.

Из перечисленных здесь типов имеет наибольший размер ячейки, а потому плохо масштабируется. Единственный тип памяти, работающий на двух разных напряжениях.

Идеально подходит для хранения кода программ (PC BIOS, сотовые телефоны), идеальная замена обычному EEPROM. Основные производители: AMD, Intel, Sharp, Micron, Ti, Toshiba, Fujitsu, Mitsubishi, SGS-Thomson, STMicroelectronics, SST, Samsung, Winbond, Macronix, NEC, UMC.

Программирование: методом инжекции "горячих" электронов

Стирание: туннеллированием FN

NAND (NOT AND, И-НЕ)

Доступ произвольный, но небольшими блоками (наподобие кластеров жёсткого диска). Последовательный интерфейс. Не так хорошо, как AND память подходит для задач, требующих произвольного доступа.

Преимущества: быстрая запись и стирание, небольшой размер блока.

Недостатки: относительно медленный произвольный доступ, невозможность побайтной записи.

Наиболее подходящий тип памяти для приложений, ориентированных на блочный обмен: MP3 плееров, цифровых камер и в качестве заменителя жёстких дисков.

Основные производители: Toshiba, AMD/Fujitsu, Samsung, National

Программирование: туннеллированием FN

Стирание: туннеллированием FN

AND (И)

Доступ к ячейкам памяти последовательный, архитектурно напоминает NOR и NAND, комбинирует их лучшие свойства. Небольшой размер блока, возможно быстрое мультиблочное стирание. Подходит для потребностей массового рынка.

Основные производители: Hitachi и Mitsubishi Electric.

Программирование: туннеллированием FN

Стирание: туннеллированием FN

DiNOR (Divided bit-line NOR, ИЛИ-НЕ с разделёнными разрядными линиями)

Тип памяти, комбинирующий свойства NOR и NAND. Доступ к ячейкам произвольный. Использует особый метод стирания данных, предохраняющий ячейки от пережигания (что способствует большей долговечности памяти). Размер блока в DiNOR всего лишь 256 байт.

Основные производители: Mitsubishi Electric, Hitachi, Motorola.

Программирование: туннеллированием FN

Стирание: туннеллированием FN

Доступ к флэш-памяти

Существует три основных типа доступа:

обычный (Conventional): произвольный асинхронный доступ к ячейкам памяти.

пакетный (Burst): синхронный, данные читаются параллельно, блоками по 16 или 32 слова. Считанные данные передаются последовательно, передача синхронизируется. Преимущество перед обычным типом доступа - быстрое последовательное чтение данных. Недостаток - медленный произвольный доступ.

страничный (Page): асинхронный, блоками по 4 или 8 слов. Преимущества: очень быстрый произвольный доступ в пределах текущей страницы. Недостаток: относительно медленное переключение между страницами.

Примечание: В последнее время появились микросхемы флэш-памяти, позволяющие одновременную запись и стирание (RWW - Read While Write или Simultaneous R/W) в разные банки памяти.


Технологии флэш-памяти

Современный человек активно использует различные высокотехнологичные гаджеты (англ. gadget — устройство). Это обычно компактные, легкие, удобные, цифровые устройства, работающие благодаря новым микропроцессорным технологиям и  благодаря технологии хранения данных на основе  флэш-памяти.

Одна из версий появления термина Flash говорит о том, что впервые в 1989-90 году компания Toshiba употребила это слово в контексте «быстрый, мгновенный» при описании своих новых микросхем. Вообще, изобретателем считается Intel, представившая в 1988 году флэш-память с архитектурой NOR. Годом позже Toshiba разработала архитектуру NAND, которая и сегодня используется наряду с той же NOR в микросхемах флэш. Собственно, сейчас можно сказать, что это два различных вида памяти, имеющие в чем-то схожую технологию производства.

Логическая схема NOR

Рис.1

Рассмотрим устройство, принцип работы, а также различные варианты практического использования флэш-памяти.

Архитектура NOR 

Память с такой организацией считается первой представительницей семейства Flash. NOR — Not OR — в булевой математике обозначает отрицание «ИЛИ».

Схема логического элемента, давшего ей название, приведена на рис.1. С помощью нее осуществляется преобразование входных напряжений в выходные, соответствующие «0» и «1». Они необходимы, потому что для чтения/записи данных в ячейке памяти используются различные напряжения. Схема ячейки приведена на рис.2.

Рис.2

Такая схема характерна для большинства флэш-чипов и представляет из себя транзистор с двумя изолированными затворами: управляющим (control) и плавающим (floating). Важной особенностью последнего является способность удерживать электроны, то есть заряд. Также в ячейке имеются так называемые «сток» и «исток». При программировании между ними, вследствие воздействия положительного поля на управляющем затворе, создается канал — поток электронов. Некоторые из электронов, благодаря наличию большей энергии, преодолевают слой изолятора и попадают на плавающий затвор. На нем они могут храниться в течение нескольких лет. Определенный диапазон количества электронов (заряда) на плавающем затворе соответствует логической единице, а все, что больше его, — нулю. При чтении эти состояния распознаются путем измерения порогового напряжения транзистора. Для стирания информации на управляющий затвор подается высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток. В технологиях различных производителей этот принцип работы может отличаться по способу подачи тока и чтению данных из ячейки.

Рис.3.

В структуре флэш-памяти для хранения 1 бита информации задействуется только один элемент (транзистор), в то время как в энергозависимых типах памяти для этого требуется несколько транзисторов и конденсатор. Это позволяет существенно уменьшить размеры выпускаемых микросхем, упростить технологический процесс, а, следовательно, и снизить себестоимость.

StrataFlash

Один бит хранимой в ячейке уже не предел. Intel уже выпускает память StrataFlash, каждая ячейка которой может хранить по 2 бита информации. Кроме того, существуют пробные образцы, с 4-х и даже 9-и битными ячейками. В такой памяти используются технология многоуровневых ячеек. Они имеют обычную структуру, а отличие заключается в том, что заряд их делится на несколько уровней, каждому из которых в соответствие ставится определенная комбинация бит. Теоретически прочитать/записать можно и более 4-х бит, однако, на практике возникают проблемы с устранением шумов и с постепенной утечкой электронов при продолжительном хранении. Вообще, у существующих сегодня микросхем памяти для ячеек характерно время хранения информации, измеряемое годами и число циклов чтения/записи — от 100 тысяч до нескольких миллионов.

Недостатки.

Из недостатков у флэш-памяти с архитектурой NOR стоит отметить плохую масштабируемость: нельзя уменьшать площадь чипов путем уменьшения размеров транзисторов. Эта ситуация связана со способом организации матрицы ячеек: в NOR архитектуре к каждому транзистору надо подвести индивидуальный контакт. Гораздо лучше в этом плане обстоят дела у флэш-памяти с архитектурой NAND.

Архитектура NAND

Рис.4

NAND — Not AND — в той же булевой математике обозначает отрицание «И». Отличается такая память от предыдущей логической схемой.

Устройство и принцип работы ячеек у нее такой же, как и у NOR. Хотя, кроме логики, все-таки есть еще одно важное отличие — архитектура размещения ячеек и их контактов. В отличие от вышеописанного случая, здесь имеется контактная матрица, в пересечениях строк и столбцов которой располагаются транзисторы. Это сравнимо с пассивной матрицей в дисплеях, а NOR — с активной TFT. В случае с памятью такая организация несколько лучше — площадь микросхемы можно значительно уменьшить за счет размеров ячеек. Недостатки  заключаются в более низкой по сравнению с NOR скорости работы в операциях побайтового произвольного доступа.

Логическая схема  NAND

Рис.5

Существуют еще и такие архитектуры как: DiNOR (Mitsubishi), superAND (Hitachi) и пр. Принципиально нового ничего они не представляют, а лишь комбинируют лучшие свойства NAND и NOR.

И все же, как бы там ни было, NOR и NAND на сегодняшний день выпускаются на равных и практически не конкурируют между собой, потому как в силу своих качеств находят применение в разных областях хранения данных.

Сфера применения

Сфера применения какого-либо типа флэш-памяти зависит в первую очередь от его скоростных показателей и надежности хранения информации. Адресное пространство NOR-памяти позволяет работать с отдельными байтами или словами (2 байта). В NAND ячейки группируются в небольшие блоки (по аналогии с кластером жесткого диска). Из этого следует, что при последовательном чтении и записи преимущество по скорости будет у NAND. Однако с другой стороны NAND значительно проигрывает в операциях с произвольным доступом и не позволяет напрямую работать с байтами информации. К примеру, для изменения одного байта требуется:

- считать в буфер блок информации, в котором он находится;

- в буфере изменить нужный байт;

- записать блок с измененным байтом обратно.

Если еще ко времени выполнения перечисленных операций прибавить задержки на выборку блока и на доступ, то получим отнюдь неконкурентоспособные с NOR показатели (отмечу, что именно для случая побайтовой записи).

Другое дело последовательная запись/чтение — здесь NAND наоборот показывает значительно более высокие скоростные характеристики. Поэтому, а также из-за возможностей увеличения объема памяти без увеличения размеров микросхемы, NAND-флэш нашел применение в качестве хранителя больших объемов информации и для ее переноса. Наиболее распространенные сейчас устройства, основанные на этом типе памяти, это флэшдрайвы и карты памяти.

Что касается NOR-флэша, то чипы с такой организацией используются в качестве хранителей программного кода (BIOS, RAM карманных компьютеров, память мобильных телефонов и т.п.), иногда реализовываются в виде интегрированных решений (ОЗУ, ПЗУ и процессор на одной мини-плате, а то и в одном чипе). Удачный пример такого использования — проект Gumstix: одноплатный компьютер размером с пластинку жвачки. Именно NOR-чипы обеспечивают требуемый для таких случаев уровень надежности хранения информации и более гибкие возможности по работе с ней. Объем NOR-флэш обычно измеряется единицами мегабайт и редко переваливает за десятки.

Флэш — перспективная технология.

Однако, несмотря на высокие темпы роста объемов производства, устройства хранения данных, основанные на флэш технолгиях, еще достаточно дороги, чтобы конкурировать с жесткими дисками для настольных систем или ноутбуков. В основном, сейчас сфера применения флэш-памяти ограничивается мобильными устройствами. Как вы понимаете, этот сегмент информационных технологий не так уж и мал. Кроме того, со слов производителей, на нем экспансия флэш не остановится. Итак, какие же основные тенденции развития имеют место в этой области.

Во-первых, как уже упоминалось выше, большое внимание уделяется интегрированным решениям. Причем проекты вроде Gumstix лишь промежуточные этапы на пути к реализации всех функций в одной микросхеме.

Рис.6

Пока, так называемые on-chip (single-chip) системы представляют собой комбинации в одном чипе флэш-памяти с контроллером, процессором, SDRAM или же со специальным ПО. Так, например, Intel StrataFlash в сочетании с ПО Persistent Storage Manager (PSM) дает возможность использовать объем памяти одновременно как для хранения данных, так и для выполнения программного кода. PSM по сути дела является файловой системой, поддерживающейся ОС Windows CE 2.1 и выше. Все это направлено на снижение количества компонентов и уменьшение габаритов мобильных устройств с увеличением их функциональности и производительности. Не менее интересна и актуальна разработка компании Renesas — флэш-память типа superAND с встроенными функциями управления. До этого момента они реализовывались отдельно в контроллере, а теперь интегрированы прямо в чип. Это функции контроля бэд-секторов, коррекции ошибок (ECC — error check and correct), равномерности износа ячеек (wear leveling). Поскольку в тех или иных вариациях они присутствуют в большинстве других брендовых прошивок внешних контроллеров, давайте вкратце их рассмотрим. Начнем с бэд-секторов. Да, во флэш-памяти они тоже встречаются: уже с конвейера сходят чипы, имеющие в среднем до 2% нерабочих ячеек — это обычная технологическая норма. Но со временем их количество может увеличиваться (окружающую среду в этом винить особо не стоит — электромагнитное, физическое (тряска и т.п.) влияние флэш-чипу не страшно). Поэтому, как и в жестких дисках, во флэш-памяти предусмотрен резервный объем. Если появляется плохой сектор, функция контроля подменяет его адрес в таблице размещения файлов адресом сектора из резервной области.

Рис.7

Собственно, выявлением бэдов занимается алгоритм ECC – он сравнивает записываемую информацию с реально записанной. Также в связи с ограниченным ресурсом ячеек (порядка нескольких миллионов циклов чтения/записи для каждой) важно наличие функции учета равномерности износа. Приведу такой редкий, но встречающийся случай: брелок с 32 Мбайт, из которых 30 Мбайт заняты, а на свободное место постоянно что-то записывается и удаляется. Получается, что одни ячейки простаивают, а другие интенсивно исчерпывают свой ресурс. Чтобы такого не было, в фирменных устройствах свободное пространство условно разбивается на участки, для каждого из которых осуществляется контроль и учет количества операций записи.

Еще более сложные конфигурации класса «все-в-одном» сейчас широко представлены такими компаниями как, например, Intel, Samsung, Hitachi и др. Их изделия представляют собой многофункциональные устройства, реализованные в одной лишь микросхеме (стандартно в ней имеется процессор, флэш-память и SDRAM). Ориентированы они на применение в мобильных устройствах, где важна высокая производительность при минимальных размерах и низком энергопотреблении. К таким относятся: PDA, смартфоны, телефоны для сетей 3G. Приведу пример подобных разработок — чип от Samsung, объединяющий в себе ARM-процессор (203 МГц), 256 Мбайт NAND памяти и 256 SDRAM. Он совместим с распространенными ОС: Windows CE, Palm OS, Symbian, Linux и имеет поддержку USB. Таким образом на его основе возможно создание многофункциональных мобильных устройств с низким энергопотреблением, способных работать с видео, звуком, голосом и прочими ресурсоемкими приложениями.

Другим направлением совершенствования флэш является уменьшение энергопотребления и размеров с одновременным увеличением объема и быстродействия памяти. В большей степени это касается микросхем с NOR архитектурой, поскольку с развитием мобильных компьютеров, поддерживающих работу в беспроводных сетях, именно NOR-флэш, благодаря небольшим размерам и малому энергопотреблению, станет универсальным решением для хранения и выполнения программного кода. В скором времени в серийное производство будут запущены 512 Мбит чипы NOR той же Renesas. Напряжение питания их составит 3.3 В (напомню, хранить информацию они могут и без подачи тока), а скорость в операциях записи — 4 Мбайт/сек. В то же время Intel уже представляет свою разработку StrataFlash Wireless Memory System (LV18/LV30) – универсальную систему флэш-памяти для беспроводных технологий. Объем ее памяти может достигать 1 Гбит, а рабочее напряжение равно 1.8 В. Технология изготовления чипов – 0.13 нм, в планах переход на 0.09 нм техпроцесс. Среди инноваций данной компании также стоит отметить организацию пакетного режима работы с NOR-памятью. Он позволяет считывать информацию не по одному байту, а блоками — по 16 байт: с использованием 66 МГц шины данных скорость обмена информацией с процессором достигает 92 Мбит/с.

PAGE  1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

74137. Понятие механизма административно-правового регулирования и его элементов 27.72 KB
  Факты применения норм административного прав издаваемые должностными лицами органов исполнительной власти при реализации властных полномочий в том числе и индивидуальные акты; административно-правовые отношения. Каждый элемент механизма административно-правового регулирования выполняет специфическую роль в регулировании поведения людей и возникающих на его основе...
74138. Структура административно-правовой нормы 23.28 KB
  Гипотеза содержит указание на фактические условия реализации нормы т. Гипотеза либо выражается в форме гипотетического суждения либо не формулируется вообще но может быть выведена из содержания нормы путем логического анализа последней. Санкция как элемент административноправовой нормы содержит указание на меры административного воздействия применяемые к правонарушителю.
74139. Административно-правовая норма 22.87 KB
  Помимо общественных отношений в сфере исполнительной деятельности государства нормы административного права регулируют отношения возникающие в связи с разрешением органами представительной власти суда прокуратуры и самоуправления муниципальными вопросов государственной и муниципальной службы а также внутриорганизационных вопросов управленческого характера. Административноправовые нормы регулируют также общественные отношения возникающие в связи с осуществлением общественными и иными негосударственными объединениями переданных в их...
74140. Источники (формы) административного права 16.24 KB
  Виды юридических источников административного права: нормативный правовой акт – вид юридического акта принятый компетентными субъектами правотворчества и содержащий нормы административного права; административно-правовой договор нормативного содержания – двустороннее или многостороннее соглашение между субъектами правотворчества содержащее нормы административного права; административный прецедент – решение по конкретному управленческому делу которое становится обязательным для всех аналогичных дел возникающих в будущем; правовой обычай...
74143. Административно-правовой акт 19.1 KB
  Юридическая природа административного акта состоит в том что он: является правовой формой управленческого решения; при помощи его орган исполнительной власти должностное лицо решает общие или конкретные вопросы которые возникают в процессе его деятельности по реализации задач и функций государственного управления; выражает юридически значимое волеизъявление субъекта исполнительной власти в виде предписания обязательного для адресата; издается в одностороннем порядке т. выражает волю только одной стороны субъекта исполнительной...
74144. Государственная служба: понятие, категории должностей и принципы 14.83 KB
  Государственная служба РФ – профессиональная служебная деятельность граждан Российской Федерации по обеспечению исполнения полномочий РФ; федеральных органов государственной власти иных федеральных государственных органов; субъектов РФ; органов государственной власти субъектов РФ иных государственных органов субъектов РФ; лиц замещающих должности устанавливаемые Конституцией федеральными законами для непосредственного исполнения полномочий федеральных государственных органов; лиц замещающих должности устанавливаемые конституциями...
74145. Государственный служащий: понятие, виды 14.14 KB
  В соответствии с принципом разделения властей существуют государственные служащие замещающие должности в органах государственной власти: представительной исполнительной судебной иных органах. В зависимости от групп должностей различают